Трехмерная визуализация показывает, как скальная выемка может остановить разрыв (красный цвет), но, в сочетании с динамическим напряжением и динамическим ослаблением, в конечном итоге вскоре после этого повторно зародит разрыв (синий цвет). Кредит: Рубино и др. др., Природа, 2022

Вдоль некоторых линий разломов, которые являются границами тектонических плит, образуется мелкозернистый гравий, когда плиты трутся друг о друга. Влияние этого гравия на землетрясения долгое время было предметом научных спекуляций. В новой статье, опубликованной в журнале Nature 1 июня, исследователи Калифорнийского технологического института показывают, что мелкий гравий, известный как каменная выемка, сначала останавливает распространение землетрясений, но затем вызывает возрождение землетрясений, вызывая мощные разрывы.

«Наш новый экспериментальный подход позволил нам внимательно изучить процесс землетрясений и выявить ключевые особенности распространения разрывов и развития трения в выпахивающих породах», — говорит Вито Рубино, научный сотрудник и ведущий автор статьи в журнале Nature. «Один из основных выводов нашего исследования заключается в том, что участки разломов, которые ранее считались барьерами против динамического разрыва, на самом деле могут стать местом землетрясений в результате активации механизмов ослабления косейсмического трения».

В статье Рубино и его соавторы Надя Лапуста, Лоуренс А. Хэнсон-младший, профессор машиностроения и геофизики, и Арес Росакис, профессор аэронавтики и машиностроения Теодора фон Кармана, показывают, что так называемые «стабильные» или «ползучие» разломы на самом деле не защищены от крупных разрывов, как предполагалось ранее. Такие разломы возникают, когда тектонические плиты медленно скользят друг относительно друга, не вызывая больших землетрясений (например, текущая сползающая часть разлома Сан-Андреас в центральной Калифорнии).

Вместо этого каменная выемка имеет сложное поведение. Сначала он действует как барьер для разрыва, поглощая энергию и блокируя его продвижение. Но когда плиты скользят друг мимо друга с достаточно высокой скоростью, поверхность скальной борозды ослабевает и резко снижает трение между двумя плитами, что приводит к повторному возникновению землетрясения. Этот процесс известен как «ренуклеация».

«Основываясь на предыдущих обширных экспериментах по трению горных пород, мы знаем, что выемка горных пород может либо усиливаться при смещении разлома и действовать как барьер, либо ослабляться и способствовать разрушению при землетрясении», — говорит Лапуста. «Однако обычно считается, что эти поведения разделены в пространстве, при этом ослабление и усиление происходят в разных местах разломов. Наши эксперименты показывают, как эти поведения могут сочетаться в одних и тех же местах разломов во время одного и того же события проскальзывания во временных масштабах динамического разрыва, что приводит к прерывистому сдвигу и потенциально превращает барьер разлома в сейсмоопасный регион».

Исследование природы исследует роль и реакцию каменной выемки, зернистого материала микрометрового размера, на сейсмическую активность. Чтобы смоделировать влияние выемки породы на распространение землетрясения, команда использовала так называемую сейсмологическую аэродинамическую трубу Калифорнийского технологического института, основанную Росакисом и бывшим директором сейсмологической лаборатории Калифорнийского технологического института Хироо Канамори, почетным профессором геофизики Джоном Э. и Хейзел С. Смитс. Объект, существующий с 1999 года, позволяет инженерам и ученым изучать сильные землетрясения в миниатюре.

Чтобы имитировать землетрясение, команда сначала разрезала пополам прозрачный блок метрового размера из пластика, известного как Homalite. Объемные свойства Homalite обеспечивают динамическое зародышеобразование разрыва в образцах диаметром до десятков сантиметров; для изучения этих эффектов в горных породах потребуются образцы размером в десятки метров.

Затем исследователи поместили две половины Homalite вместе под высоким давлением и сдвигом (ситуация, в которой две половины хотят скользить друг относительно друга в противоположных направлениях), имитируя тектоническое давление, которое медленно нарастает вдоль линии разлома. Между кусками был засыпан мелкозернистый кварцевый порошок, заменяющий разломы. Затем команда вставила небольшой проволочный предохранитель между двумя половинками; его местоположение было «эпицентром» землетрясения, которое они планировали смоделировать. По мере того как симулированное землетрясение прогрессировало, использовалась высокоскоростная технология визуализации для записи его эволюции с точностью до одной миллионной доли секунды.

«Еще в конце 1990-х годов, когда мы проектировали «сейсмологическую аэродинамическую трубу», мы никогда не могли себе представить ее успех в обнаружении такого богатого спектра физических явлений, связанных с фрикционными очагами землетрясений, и что такие явления могут быть строго масштабированы для объяснения поведение естественных землетрясений, происходящих в совершенно разных масштабах по всему земному шару», — говорит Росакис. «Это свидетельство огромной силы дисциплины механики».

Затем команда планирует изучить влияние флюидов, которые естественным образом присутствуют в земной коре, на фрикционное поведение выемки горной породы .

Статья в Nature озаглавлена ​​«Прерывистые лабораторные землетрясения в динамически ослабевающей выемке разлома».